Małgorzata Minta: W jednym z ostatnich numerów tygodnika Science zamieszczono raport o stanie naszej wiedzy na temat budowy Wszechświata. Czy naukowcy wiedzą już, z czego zbudowane jest wszystko to, co nas otacza?
Frank Wilczek : Na ten temat wiemy już bardzo dużo, ale nie wszystko. W ostatnich latach XX wieku udało nam się stworzyć spójne i klarowne teorie dotyczące budowy materii, a raczej tego, co dotychczas określaliśmy mianem materii. Dzisiaj wiemy, że wszystko co nas otacza, zbudowane jest z fotonów, elektronów, kwarków i gluonów. Cząsteczki te udało się opisać z niezwykłą precyzją, zrozumieć sposób, w jaki na siebie oddziałują i jaką rolę pełnią we Wszechświecie. Jednak w momencie, kiedy wydawało nam się, że dopięliśmy to wszystko na ostatni guzik, astronomowie zaczęli informować o dość niespodziewanych obserwacjach.

Co takiego udało się im odkryć?
Zauważyli pewne rozbieżności dotyczące rozmieszczenia i ilości masy we Wszechświecie. Okazało się, że jest ona znacznie większa od szacowanej przez nas masy tego, co widzimy za pomocą teleskopów. Jeśli przypomnimy sobie zdjęcia kosmosu, uderzy nas ilość "pustego" miejsca we Wszechświecie i ogromnej ilości wolnej przestrzeni między poszczególnymi, ciałami niebieskimi. Tak pojawiło się przypuszczenie, że właśnie w tej kosmicznej pustce może coś być. Nawet jeśli masa tego czegoś byłaby bardzo mała, to biorąc pod uwagę przestrzeń, jaką zajmuje łącznie, musi być naprawdę imponująca.
I to właśnie było to przełomowe odkrycie astronomów – fakt, że masa "normalnej", widzialnej materii jest znikomym ułamkiem masy całego Wszechświata.

Zatem to, czego nie widzimy, odgrywa we Wszechświecie większą rolę niż widzialna materia?
Na pewno ma większą masę, a co za tym idzie - większą siłę oddziaływania grawitacyjnego. Jeśli jednak mówimy o naszym "ziemskim" sąsiedztwie, to tu materia "widzialna" dominuje nad tą niedostrzegalną i właśnie ona oddziałuje silniej.
Natomiast w obszarach przestrzeni między galaktykami, gdzie jest bardzo mało zwykłej materii, przewagę będzie miała jej "niewidzialna" siostra.

Czy na podstawie oddziaływania grawitacyjnego niewidzialnej materii na zwykłą będziemy tworzyć mapy jej rozmieszczenia, podobne do tej, jaką ostatnio przedstawił zespół prof. Richarda Masseya z California Institute of Technology w Pasadenie?
Tak, choć na dobrą sprawę nie wiemy, czym jest to coś, co zaznaczyliśmy na mapie. Nazywamy to ciemną materią, choć w rzeczywistości wcale nie jest ona ciemna, tylko niewidzialna. Ciemna materia nie pochłania ani nie emituje światła, nie absorbuje promieniowania, fal radiowych, neutrin - niczego. A przynajmniej nie udało nam się niczego zarejestrować. Dlatego jedyne, co nam pozostaje, to badanie zaburzeń w oddziaływaniach grawitacyjnych.

Może to pytanie wyda się panu śmieszne, ale dlaczego właściwie ciemna materia nie absorbuje światła?
Nie mam bladego pojęcia. Tak po prostu jest i koniec. Jedyne co o niej wiemy to to, że oddziałuje grawitacyjnie na zwykłą materię. Zgodnie z ogólnie przyjętymi teoriami fizycznymi obiekty oddziałujące grawitacyjne mają jakąś masę. Stąd też nasze przekonanie, że ciemna materia jest zbudowana z cząstek mających masę, choć bardzo, bardzo nikłą. Jednak w sumie - bardzo dużą. Normalna, znana nam materia, którą tworzą fotony i elektrony to zaledwie 5 proc. całej masy Wszechświata. Ciemna materia to pozostałe 95 proc.

Czy wiemy cokolwiek o budowie ciemnej materii?
Najprawdopodobniej składają się na nią co najmniej dwie rzeczy - jedną nazywamy ciemną materią, a drugą ciemną energią. Nie są to może najlepsze nazwy, ale na początku nic innego nie udało się nam wymyślić i tak już zostało. Ciemna materia ma zdolność tworzenia skupisk, podobnie jak zwyczajna materia, z której zbudowane są planety, gwiazdy i galaktyki. Różnica jest jednak taka, że ciemna nie skupia się tak dobrze i tworzy raczej luźne, rozrzedzone obłoki. Mimo to, ślady obecności ciemnej materii znaleźliśmy niemal we wszystkich badanych galaktykach. Wygląda to tak, jakby widzialną galaktykę otaczała druga, o wiele większa chmura....

Czym zatem jest ciemna energia?
W przeciwieństwie do ciemnej materii, ciemna energia nie tworzy skupisk. Jest równomiernie rozmieszczona w całej przestrzeni kosmicznej. Jej gęstość wynosi zapewne… poczekaj, niech no tylko coś obliczę… hmmm. Tak, jej gęstość musi być ok. biliony razy mniejsza niż gęstość wody, ale za to jest wszędzie. Ciemna energia jest zatem immanentną cechą, właściwością przestrzeni jako takiej.

Czyli ciemną energię można by przyrównać do eteru - w starym rozumieniu tego słowa?
Tak, to niezły pomysł. Choć starodawny eter, czyli coś, co miało wypełniać przestrzeń i m.in. przenosić fale radiowe, był nietrafionym pomysłem, to prawdę powiedziawszy współczesna fizyka bazuje na kilku takich „eterach”. Ciemna energia to taki eter, mający mikroskopijną masę i malutką gęstość. Co więcej, ta gęstość jest stała nie tylko w przestrzeni, ale i w czasie.
Ponieważ Wszechświat nieustannie się rozszerza, gęstość zwyczajnej i ciemnej materii staje się coraz mniejsza, bo ta sama ilość materii musi zapełnić większą przestrzeń. Co innego ciemna energia - ta ma stałą gęstość, niezależnie od upływu czasu. Tak się przynajmniej nam wydaje. Ciemna energia dociera wszędzie i stanowi ok. 70 proc. masy Wszechświata. Gdyby porównać cały Wszechświat do akwarium, to ciemna energia byłaby wodą, w której zawieszone są wszystkie inne rzeczy.

Odkrycie ciemnej materii kilkadziesiąt lat temu zrewolucjonizowało naszą wiedzę o Wszechświecie...
Okazało się, że tzw. standardowa teoria rozszerzającego się Wszechświata wcale nie jest idealna. Wtedy, ja i kilku moich kolegów, zaproponowaliśmy różne sposoby umożliwiające „wygładzenie” obliczeń i poprawienie jakości teorii. Gdy przetransformowaliśmy równania tak, by model stał się bardziej elegancki i spójny, otrzymaliśmy… zupełnie nowe, nieznane cząstki! Oczywiście już wcześniej pojawiały się przypuszczenia, że mogą one istnieć, ale na dobrą sprawę, co rusz ktoś wyskakuje z pomysłem na jakąś nową cząstkę elementarną... W większości przypadków są to jednak hipotezy, które nie znajdują potem potwierdzenia. W tym przypadku było inaczej. Jedne z zaproponowanych przez nas cząstek to WIMP-y, czyli - Słabo Oddziałujące Masywne Cząstki (ang. Weakly Interacting Massive Particles), a drugie - aksjony. (Tę nazwę zresztą sam wymyśliłem). Początkowo zarówno aksjony jak i WIMP-y nie miały nic wspólnego z ciemną materią. Kiedy jednak zaczęliśmy dowiadywać się o nich coraz więcej, okazało się, że są bardzo stare, mają małą masę, słabo oddziałują na zwyczajną materię i są praktycznie niewidoczne.
W końcu okazało się, że musiały powstać w czasie wielkiego wybuchu, a zatem nic nie stało na przeszkodzie, by uznać je za budulec ciemnej materii. Mieliśmy więc bardzo ciekawą sytuację. Zrodzone z potrzeb teorii cząsteczki nagle nabrały realnych kształtów i okazały się idealnie wypełniać luki w opisach i badaniach empirycznych. Teraz trzeba potwierdzić ich istnienie w warunkach laboratoryjnych. Przypominam jednak, że są one bardzo małe, a ich oddziaływanie - słabe, przez co trudno je wykryć.

Wspomniał pan, że wymyślił nazwę „aksjon”. Jak do tego doszło?
Cząsteczki te zawdzięczają swą nazwę… proszkowi do prania o nazwie „Axion”, którego używała moja żona. Wielokrotnie widywałem jego pudełka w naszym domu i pomyślałem „hej, to naprawdę fajna nazwa dla cząstki”. Było to zanim takowej potrzebowałem . Doszedłem do wniosku, że jeśli kiedykolwiek przypadnie mi zaszczyt nazywania nowej cząstki, nadam jej nazwę „aksjon”, bo jest po prostu świetna, nie uważasz? Po latach okazało się, że faktycznie mam szanse zrealizować swoje małe marzenie. To naprawdę świetna nazwa, brzmi o wiele bardziej naukowo niż jakiś tam gluon... (cząstka elementarna odkryta w 1979 roku, przyp. red.)

Starożytni Grecy uważali, że najmniejszą cząstką materii jest atom, potem odkryliśmy elektrony, protony, a ostatnio hadrony i aksjony. Czy uważa Pan, że na tym się skończy? Ile rodzajów cząstek elementarnych jest we Wszechświecie?
Według niektórych teorii, liczba rodzajów cząstek elementarnych jest nieskończona. Tak głosi np. teoria strun. W jej myśl Wszechświat zbudowany jest z drgających z różną częstotliwością strun, które wibrują coraz szybciej i szybciej, cały czas zmieniają swój stan, co daje nam nieskończoną, a przynajmniej niedającą się określić liczbę cząstek. Moim zdaniem liczenie rodzajów cząstek nie jest tym, co powinno stanowić sedno badań fizyków. Bardziej interesujące wydaje się poszukiwanie nowych rozwiązań, które pomogą nam udoskonalić teorię budowy Wszechświata.

W jaki sposób naukowcy zamierzają potwierdzić istnienie nowych cząstek elementarnych, na przykład aksjonów?
Aksjony są podobne do fotonów (cząsteczek światła). Różnią się od nich dwoma rzeczami. Po pierwsze, oddziałują na otoczenie o wiele słabiej, są więc trudniejsze do zarejestrowania. Druga różnica dotyczy masy - podczas gdy fotony jej nie mają, to aksjony owszem, choć bardzo małą. Dlatego mniej więcej wiemy, jak powinna wyglądać antena do ich wykrywania. Niestety, nie znamy masy aksjonów, a to utrudnia kalibrację urządzeń. Poza tym nie wystarczy mieć jednej, dobrej anteny, ale cały zestaw takich urządzeń różnych rozmiarów i rozdzielczości. By zapewnić im maksymalną czułość, muszą być dobrze odizolowane i utrzymywane w superniskich temperaturach.
Innym, stosunkowo nowym pomysłem wykrywania aksjonów jest obserwacja światła i promieniowania gamma przechodzącego przez Słońce. Foton, który zderza sie ze Słońcem zmienia się w aksjon i w tej postaci przechodzi przez gwiazdę, by po jej opuszczeniu znów stać się fotonem. Badanie polega więc na wykrywaniu fotonów, którym ta sztuka się udała.

Czy główną przyczyną szukania tych cząstek jest próba stworzenia uniwersalnej teorii budowy Wszechświata?
Nie wierzę, by udało się stworzyć teorię, która opisze budowę i prawa rządzące Wszechświatem. To taka naukowa utopia, fizyczny św. Graal. Być może studenci cieszyliby się z tego, że zamiast wielu książek mogą przeczytać jedną, ale z drugiej strony zniknęłaby przyjemność prowadzenia różnych badań.

Cofnijmy się nieco w przeszłość. Dwa lata temu przyznano panu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycia dotyczące m.in. aksjonów. Podobno odebrał pan wiadomość o nagrodzie w dość niecodziennych okolicznościach…
(Śmiech) Tak… podejrzewam, że za kilkanaście lat wszyscy będą pamiętać tę właśnie anegdotę, a nie to, za co właściwie przyznano mi Nobla... O tym, że jestem jednym z kandydatów do nagrody wiedziałem już kilka lat wcześniej. Co roku, gdy zbliżał się termin ogłoszenia laureatów strasznie się denerwowałem, podobnie zresztą jak moi bliscy, którzy nie potrafili ukryć swego podekscytowania, a to dolewało jeszcze oliwy do ognia. Dlatego w noc przyznania Nobla (laureatów Nagrody ogłasza się koło południa czasu europejskiego, a więc wczesnym rankiem amerykańskiego) zazwyczaj nie mogłem zmrużyć oka, bo przecież zaraz mógł zadzwonić telefon ze Szwecji.
Podobnie było w 2004 roku, kiedy cały czas sprawdzałem na zegarku, która godzina i dlatego nie mogłem usnąć. W końcu około 5 stwierdziłem, że chyba wezmę prysznic, po pierwsze, żeby się czymś zająć, a po drugie - by w razie czego być gotowym na poranne nowiny.
Gdy byłem już pod prysznicem, dokładnie 11 minut po piątej, do łazienki weszła moja żona. Z telefonem. I powiedziała: "Kochanie, to do Ciebie, ktoś ze Szwecji. Jakaś miła pani chce z Tobą rozmawiać". Stałem tak więc ze słuchawką w ręce, woda kapała ze mnie na podłogę. Jak można się domyślać, to była Komisja Noblowska, która - jak się trochę poniewczasie dowiedziałem - zawsze dzwoni do laureata dwa - trzy kwadranse wcześniej, nim wyda publiczne oświadczenie. Na dodatek ta rozmowa wyglądała zupełnie inaczej niż sobie wyobrażałem. Wcześniej sądziłem, że rzecznik Komitetu powie "Dzień dobry. Gratulacje, wygrał pan Nagrodę Nobla, do widzenia". Okazało się, że po przekazaniu wiadomości, miła pani ze Szwecji zaczęła rozwodzić się na temat organizacyjnych szczegółów dotyczących wręczenia Nagrody, co i kiedy się wydarzy. A potem ni z tego ni z owego do telefonu zaczęły podchodzić kolejne osoby, z Akademii, z Komitetu ds. Fizyki, z Towarzystwa Naukowego, z… och, sam już nie wiem skąd, ale pamiętam, że było ich strasznie wiele. Każda chciała mi pogratulować, powiedzieć coś od siebie itd. Potem pałeczkę, a raczej słuchawkę przejęli różni naukowcy, fizycy z Francji i moi przyjaciele ze Szwecji. W sumie musiało być to 15, a może nawet więcej osób, a każda z nich gadała ze mną dobre 5 minut! Byłem jednak tak pochłonięty tą rozmową, że nie zauważyłem, iż stoję w wielkiej kałuży wody. To właściwie cud, że nie dopadało mnie potem jakieś przeziębienie...

A jak pan wspomina uroczystość wręczenia medali w Sztokholmie, która miała miejsce dwa miesiące później?

To, co szczególnie zapadło mi w pamięć, wydarzyło się po części oficjalnej. Zostałem zabrany na coroczną nieformalną imprezę stowarzyszenia szwedzkich studentów, tzw. Zakonu Wiecznie Uśmiechającej się i Skaczącej Zielonej Żaby. Nagle przeniosłem się w zupełnie inny świat. Była to gigantyczna balanga z kolorowymi drinkami, tańcami i najróżniejszymi atrakcjami-niespodziankami. Jednym z punktów programu były zadania-szarady, które nobliści musieli rozwiązywać, by udowodnić, że naprawdę zasłużyli na Nobla. Byłem z siebie bardzo dumny, bo choć szumiało mi w głowie, dałem radę i rozwiązałem wszystkie łamigłówki. A na koniec musiałem jeszcze wygłosić przemówienie, co było dla mnie totalnym zaskoczeniem. Nie wiem jakim cudem wpadłem na pomysł, by napisać wierszyk. Takie rymowane przemówienie spodobało się bardzo publiczności.

Na koniec chciałam pana spytać o pana nazwisko. Brzmi ono bardzo polsko?
Rodzina ze strony ojca pochodzi z Polski. Moja babcia urodziła się w Babicach, w okolicach Krakowa. I choć nie była to wtedy Polska, ale Austria, babcia uważała się za Polkę i mówiła po polsku. Z kolei mój dziadek, Wilczek, to postać widmo. Zmarł, gdy byłem małym chłopcem i nie miałem szansy dobrze go poznać. Urodził się pod Warszawą i był dużo starszy od babci. Wiem tylko, że walczył w wojsku generała Hallera i trafił do Stanów Zjednoczonych nie całkiem legalnie.

Czy zna pan jakieś polskie słowa?
Bardzo mało, trochę nazw potraw, jakie gotowała babcia. O, na przykład pierogi.

A lubi pan je?
Tak, ale w moim wieku muszę już uważać na tłuste potrawy, bo nie wychodzą mi na zdrowie. Ale pierogi w wersji light zjadłbym bardzo chętnie.

Czy był pan kiedyś w Polsce?
Tak, odwiedziłem twój kraj jakieś dziesięć lat temu. Ale słyszałem, że dużo się tam zmieniło i naprawdę się cieszę, że w przyszłym roku, gdy będę podróżował po Europie, znów przyjadę do Polski.